蘇州軌道交通列車再生制動(dòng)能量吸收裝置應(yīng)用情況分析

鄒文駿

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，215101，蘇州∥工程師)

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，列車能耗約占地鐵總能耗的50%，列車的再生制動(dòng)能量約為電客車耗電量的30%～40%。再生制動(dòng)能量如能得到充分利用，可大大降低地鐵的運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 列車再生制動(dòng)能量吸收裝置分類

列車的再生制動(dòng)能量若不被鄰近列車吸收將導(dǎo)致接觸網(wǎng)網(wǎng)壓升高，一般通過制動(dòng)電阻消耗列車的再生制動(dòng)能量。采用電容儲(chǔ)能型、能饋型再生能量回收技術(shù)，可吸收剩余的列車再生制動(dòng)能量，減少列車機(jī)械制動(dòng)磨損，提高運(yùn)營安全性、可靠性，節(jié)約電能，降低運(yùn)營成本。列車再生制動(dòng)能量吸收裝置分類如圖1所示。

圖1 列車再生制動(dòng)能量吸收裝置分類

1.1 電阻能耗型

電阻能耗型再生制動(dòng)能量吸收裝置不僅無節(jié)能效果，而且導(dǎo)致能源浪費(fèi)并造成熱污染，因此不主張使用。

1.2 回饋型

回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置包括逆變回饋裝置和雙向變流裝置。

逆變回饋裝置將列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的過多能量反饋到中壓環(huán)網(wǎng)供其它設(shè)備使用，如圖2所示。

圖2 中壓逆變能饋裝置運(yùn)行示意圖

如圖2所示，箭頭表示能量的流動(dòng)方向，變電所內(nèi)原有的整流機(jī)組能量流動(dòng)方向?yàn)椋褐袎涵h(huán)網(wǎng)交流通過整流機(jī)組變壓后變?yōu)镈C 1 500 V，該電流供列車牽引使用。有逆變回饋裝置的變電所的能量流動(dòng)方向?yàn)椋合葘恳W(wǎng)上過高電壓通過2臺(tái)變流柜及隔離變壓器變?yōu)?5 kV交流電返回到中壓環(huán)網(wǎng)上，該電流供其他設(shè)備使用，從此達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)壓及節(jié)能的目的。

目前，逆變回饋裝置技術(shù)成熟，且在國內(nèi)外已有非常廣泛的應(yīng)用，是城市軌道交通領(lǐng)域列車再生制動(dòng)能量吸收的主要方式和發(fā)展方向之一。逆變回饋裝置又分為中壓回饋裝置和低壓回饋裝置兩種，其在國內(nèi)的應(yīng)用情況如下表1所示。

表1 逆變回饋型裝置在國內(nèi)軌道交通線路中的應(yīng)用情況

雙向變流裝置是為提高供電可靠性、實(shí)現(xiàn)整流器快速更換維護(hù)、穩(wěn)定網(wǎng)壓、節(jié)約能源而發(fā)展出來的雙向變流器技術(shù)。雙向變流裝置還可作為24脈波整流器的補(bǔ)充。最早使用該裝置的線路是日本首都圈新都市鐵道筑波快捷線。該裝置于2016年6月在長沙地鐵1號(hào)線全線投入運(yùn)行，于2019年在寧波地鐵2號(hào)線寧波大學(xué)站掛網(wǎng)運(yùn)行，而后在北京地鐵10號(hào)線掛網(wǎng)運(yùn)行。

1.3 儲(chǔ)能型

儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置包括飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩種。兩者的節(jié)能效果相近，但飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實(shí)際應(yīng)用，超級(jí)電容儲(chǔ)能則更易實(shí)現(xiàn)。

飛輪儲(chǔ)能的基本原理是：列車制動(dòng)電能帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)移至飛速旋轉(zhuǎn)的飛輪內(nèi)；當(dāng)列車起動(dòng)時(shí)，飛輪則將存儲(chǔ)的動(dòng)能以電能的形式釋放出來。目前，該裝置在國外有部分應(yīng)用，比如里昂、巴黎、倫敦等城市的地鐵，只是一些示范性工程，無大范圍應(yīng)用。2019年，北京地鐵房山線廣陽城站安裝了1套飛輪儲(chǔ)能再生制動(dòng)能量吸收裝置。

超級(jí)電容儲(chǔ)能的基本原理是：列車再生制動(dòng)能量被吸收到超級(jí)電容中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車需取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去。超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置有儲(chǔ)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓兩種可以相互切換的工作模式。西門子和龐巴迪生產(chǎn)的超級(jí)電容儲(chǔ)能器已經(jīng)應(yīng)用于國外DC 750 V和DC 600 V的輕軌和地鐵線路。

儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置在國內(nèi)的應(yīng)用雖然起步較晩，但發(fā)展很快。具體應(yīng)用情況如表2所示。

表2 儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置在國內(nèi)的應(yīng)用情況

2 各類列車再生制動(dòng)能量吸收裝置特點(diǎn)分析

35 kV中壓逆變回饋方式能滿足電能質(zhì)量要求，對(duì)電網(wǎng)電壓沖擊影響相對(duì)較小，且逆變回饋容量不受限制；再生制動(dòng)能量利用率高，能夠滿足列車制動(dòng)需求；可有效控制直流牽引網(wǎng)電壓，適用于中大運(yùn)量城市軌道交通工程。但低壓逆變回饋方式的逆變回饋裝置容量受車站動(dòng)力變壓器容量的限制，適用于中小運(yùn)量城市軌道交通工程。

四種列車再生制動(dòng)能量吸收裝置特點(diǎn)對(duì)比如表3所示。整流器+回饋?zhàn)兞髌髋c雙向變流器的特點(diǎn)對(duì)比如表4所示。

表3 四種再生制動(dòng)能量吸收裝置特點(diǎn)對(duì)比表

表4 整流器+回饋?zhàn)兞髌髋c雙向變流器特點(diǎn)對(duì)比表

3 列車再生制動(dòng)能量吸收裝置在蘇州軌道交通的應(yīng)用情況

目前，列車再生制動(dòng)能量吸收裝置已在蘇州軌道交通2號(hào)線和4號(hào)線掛網(wǎng)應(yīng)用。2號(hào)線全長約42.0 km，列車采用5節(jié)編組(B型車)。4號(hào)線全長約52.8 km，其中主線42.0 km、支線10.8 km，列車采用6節(jié)編組(B型車)。

3.1 蘇州軌道交通2號(hào)線能饋裝置應(yīng)用情況

蘇州軌道交通2號(hào)線徐圖港站安裝的是中壓逆變回饋系統(tǒng)，桐涇公園站安裝的是超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3.1.1 徐圖港站中壓逆變回饋裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站中壓逆變回饋系統(tǒng)包含4臺(tái)柜體，分別為1臺(tái)主控柜、2臺(tái)變流器柜及1臺(tái)變壓器柜。該裝置柜體間電氣接線圖如圖3所示。

圖3 徐圖港站中壓逆變能饋裝置電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：徐圖港站中壓逆變能饋裝置主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 徐圖港站中壓逆變能饋裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置容量：根據(jù)2號(hào)線線路參數(shù)和供電系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)騎河站至勞動(dòng)路站區(qū)段共3個(gè)供電分區(qū)的高峰期、平峰期列車再生制動(dòng)能量回收量進(jìn)行估算。列車編組為3動(dòng)2拖，車輛為B型。根據(jù)車輛參數(shù)對(duì)列車運(yùn)行過程中牽引制動(dòng)功率曲線進(jìn)行估算，再將計(jì)算結(jié)果代入牽引供電仿真模型中，結(jié)果如圖4所示。

圖4 徐圖港站逆變回饋裝置仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖4仿真計(jì)算結(jié)果，作為科研項(xiàng)目，在徐圖港站安裝了額定功率2 MW逆變回饋裝置，于2019年1月投入運(yùn)行。后因廠家原因設(shè)備停運(yùn)。

3.1.2 桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)包含5臺(tái)柜體，分別為1臺(tái)控制柜、2臺(tái)變流器柜和2臺(tái)超級(jí)電容柜，另外在變電所DC 1 500 V饋線柜中并入1臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)用直流饋線柜。該裝置柜體間電氣接線圖如圖5所示。

圖5 桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要技術(shù)參數(shù)表

3) 裝置容量：根據(jù)2號(hào)線線路參數(shù)和供電系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)山塘街站至寶帶橋南站區(qū)段共3個(gè)供電分區(qū)的高峰期、平峰期列車再生制動(dòng)能量回收量進(jìn)行估算。列車編組為3動(dòng)2拖，車輛為B型。根據(jù)車輛參數(shù)對(duì)列車運(yùn)行過程中牽引制動(dòng)功率曲線進(jìn)行估算，再將計(jì)算結(jié)果代入牽引供電仿真模型中，結(jié)果如圖6所示。

圖6 桐涇公園站電容儲(chǔ)能裝置仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6仿真計(jì)算結(jié)果，作為科研項(xiàng)目，在桐涇公園站安裝了額定功率1 MW的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，于2019年1月投入運(yùn)行。

4) 裝置節(jié)能效果：桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)置的充電閾值為1 740～1 750 V，放電閾值為1 610～1 620 V，設(shè)備投運(yùn)至今已實(shí)現(xiàn)正向節(jié)電35.7萬kWh，平均每天節(jié)電量約為1 000 kWh。

3.2 蘇州軌道交通4號(hào)線能饋裝置應(yīng)用情況

蘇州軌道交通4號(hào)線支線蘇州灣北站安裝的是中壓逆變回饋型裝置，主線蘇州灣東站安裝的是雙向變流型能饋裝置。

3.2.1 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站中壓逆變回饋裝置額定功率為2 MW，整套系統(tǒng)主要包括DC 1 500 V直流柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關(guān)柜及配套電纜。其核心設(shè)備是采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)的逆變柜，有利于減小網(wǎng)側(cè)電流諧波。該裝置逆變模塊主電路拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置逆變模塊主電路拓?fù)鋱D

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

表7 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置節(jié)能效果：蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置2018年10月投運(yùn)，運(yùn)行期間進(jìn)行了不同回饋閥值下的回饋電量研究。目前該裝置再生制動(dòng)設(shè)備的啟動(dòng)值設(shè)置為1 750 V，滯環(huán)電壓為30 V，平均每天節(jié)電量約1 750 kWh。

3.2.2 蘇州灣東站雙向變流回饋裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站雙向變流回饋裝置裝機(jī)額定功率為1.6 MW，整套系統(tǒng)主要包括直流開關(guān)柜、控制柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關(guān)柜及配套電纜。其核心設(shè)備同樣是采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)的逆變柜。該裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，柜體電氣連接示意圖如圖9所示。

圖8 蘇州灣東站雙向變流再生能饋裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Structured flowchart of bidirectional converter regenerative energy feeding device in Suzhouwan East Station

圖9 蘇州灣東站雙向變流裝置柜體電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：蘇州灣東站雙向變流裝置主要技術(shù)參數(shù)如表8所示。

表8 蘇州灣東站雙向變流裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置節(jié)能效果：蘇州灣東站雙向變流裝置2020年7月投運(yùn)，運(yùn)行期間進(jìn)行了不同回饋閥值下的回饋電量、整流功能試驗(yàn)和波形測(cè)試等功能研究。目前該裝置再生制動(dòng)設(shè)備的啟動(dòng)值設(shè)置為1 760 V，滯環(huán)電壓為30 V，平均每天節(jié)電量約1 600 kWh。該裝置可實(shí)現(xiàn)整流功能，但由于受裝置容量限制，當(dāng)列車起動(dòng)加速度較大時(shí)，該裝置電流會(huì)大于最大工作電流，功率會(huì)超過其最大功率。

4 結(jié)語

根據(jù)蘇州軌道交通掛網(wǎng)應(yīng)用的能饋裝置運(yùn)行及節(jié)能情況：飛輪儲(chǔ)能型能饋裝置故障率高、技術(shù)不成熟；超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置容量有限，需多套并聯(lián)，壽命短，節(jié)能效果不佳；雙向變流裝置整流功能容量小、帶載能力差，成本較逆變回饋裝置高；中壓逆變回饋型裝置技術(shù)成熟、故障率低，節(jié)能效果顯著。

根據(jù)蘇州軌道交通后續(xù)線路列車再生能量吸收裝置節(jié)能降耗模擬計(jì)算結(jié)果，蘇州軌道交通6號(hào)線、S1號(hào)線上將采用中壓逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置。